饮用水深度处理用煤基活性炭吸附性能表征

活性炭是臭氧-生物活性炭(O₃-BAC)饮用水深度净化工艺中的核心材料,准确评价活性炭的吸附性能是活性炭选型的基础。本研究采制我国4种典型商品煤基活性炭样品,同时选取一种木质炭作为对比,测定炭样的碘值、亚甲蓝值、焦糖脱色率等常规吸附性能指标以及对丹宁酸(TA)和腐殖酸(HA)的静态吸附容量;用快速小柱实验(RSSCT)测定活性炭吸附含TA和HA水样的穿透曲线以评价活性炭动态吸附性能。此外,分别利用物理吸附仪和扫描电镜联用能谱仪表征活性炭孔结构和表面微观形貌,采用弗兰克尔-哈尔西-希尔方法计算分形维数以表征活性炭表面粗糙度。结果表明,碘值、亚甲蓝值、焦糖脱色率以及TA和HA吸附量与活性炭的孔发育程度明显相关;在RSSCT评价中无烟煤基活性炭具有最佳的动态吸附性能,表明活性炭动态吸附性能与活性炭孔结构相关性较小,而与表面粗糙度具有一定的关联。利用活性炭表面粗糙度指标初步筛选、再经HA的RSSCT穿透实验优选,可选出性能优良的饮用水深度处理用活性炭。     

活性炭配炭的吸附性能及其与孔结构的关系

采制11种典型水处理用商品活性炭样品,两两混合进行配炭,对配炭组分及配炭的碘值、亚甲蓝值、丹宁酸值和焦糖脱色率等吸附性能指标及孔结构特征进行了测试和表征。采用加权平均拟合、线性拟合及多项式拟合等方法,研究配炭吸附性能指标与配炭组分吸附性能指标间的量化关系,关联活性炭孔结构与吸附性能指标。结果表明：活性炭配炭的吸附性能指标可由配炭组分的吸附性能指标通过加权平均计算,相对误差<4%,且配炭的孔结构也具备加和性;活性炭碘值、亚甲蓝值、丹宁酸值和焦糖脱色率的大小分别取决于活性炭1.0~2.8nm、1.5~10nm、2.0~50nm和3.0~50nm孔隙的发达程度,与孔容积的线性相关系数介于0.91~0.94。     

2~5 nm孔集中分布泥炭基中孔活性炭的制备

将泥炭破碎、粉磨、浸渍磷酸后,压块成型、再破碎,置于管式炉经不同活化温度、活化时间制得活性炭。对浸渍磷酸后的泥炭样品在氮气下进行热重分析;测定活性炭样品的碘吸附值、亚甲蓝吸附值和焦糖脱色率,利用气体吸附仪、激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分别表征其孔结构、碳结构、表面化学和微观形貌。结果表明：泥炭在磷酸活化过程中发生了交联反应,炭化/活化最大失重温度从300℃附近降低至200℃附近;随着磷酸浸渍比和活化温度的升高,活性炭中的无规则石墨层增多、羟基含量减少;磷酸浸渍比增加时,孔隙逐渐发达、吸附性能增强、2~5 nm孔段孔容增大;活化温度升高时,孔隙先收缩(400~550℃)后发生破坏(600℃)、吸附性能下降、2~5 nm孔段孔容减小;随着活化时间延长,活性炭的羟基含量先大幅减小(120~150 min)后无规律变化,孔隙先扩大(120~180 min)后收缩(>180 min),吸附性能>180 min后迅速下降,碳结构和2~5 nm孔段孔容无显著变化。在磷酸浸渍比1.5、活化温度500℃、活化时间180 min条件下,制得活性炭的比表面积为678.52m²·g^-1,2~5 nm孔段的孔容达0.1475 cm³·g^-1、占总孔容比率为31.04%、占中孔容比率为70.24%。     

2～5nm孔集中分布泥炭基中孔活性炭的制备

将泥炭破碎、粉磨、浸渍磷酸后,压块成型、再破碎,置于管式炉经不同活化温度、活化时间制得活性炭。对浸渍磷酸后的泥炭样品在氮气下进行热重分析;测定活性炭样品的碘吸附值、亚甲蓝吸附值和焦糖脱色率,利用气体吸附仪、激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分别表征其孔结构、碳结构、表面化学和微观形貌。结果表明:泥炭在磷酸活化过程中发生了交联反应,炭化/活化最大失重温度从300℃附近降低至200℃附近;随着磷酸浸渍比和活化温度的升高,活性炭中的无规则石墨层增多、羟基含量减少;磷酸浸渍比增加时,孔隙逐渐发达、吸附性能增强、2～5 nm孔段孔容增大;活化温度升高时,孔隙先收缩(400～550℃)后发生破坏(600℃)、吸附性能下降、2～5 nm孔段孔容减小;随着活化时间延长,活性炭的羟基含量先大幅减小(120～150 min)后无规律变化,孔隙先扩大(120～180 min)后收缩(180 min),吸附性能180 min后迅速下降,碳结构和2～5 nm孔段孔容无显著变化。在磷酸浸渍比1.5、活化温度500℃、活化时间180 min条件下,制得活性炭的比表面积为678.52 m~2·g~(-1),2～5 nm孔段的孔容达0.1475 cm~3·g~(-1)、占总孔容比率为31.04%、占中孔容比率为70.24%。     

我国煤基活性炭生产技术现状及发展趋势

活性炭在环保领域得到日益广泛的应用,尤其是水处理用煤基活性炭已成为活性炭的主流产品。综述性评价了煤基活性炭主要生产技术及设备的现状,总结了煤基活性炭孔结构调控的方法,分析了煤基活性炭产业的发展趋势。结果表明,压块活性炭生产技术的推广和多膛炉的应用使得煤基活性炭生产规模大型化成为现实,通过配煤、添加剂和优化炭化、活化工艺参数可以制备出多样化和专用化的煤基活性炭。     

神木煤制中低温热解用型煤工艺参数优化研究

为制备中低温热解用型煤,以我国典型低阶烟煤神木煤为原煤,以煤焦油重质组分及沥青为黏结剂,研究成型压力、水分、黏结剂种类及添加量对型煤冷热强度的影响,考察复合黏结剂配比对型煤冷热强度的影响规律。结果表明:型煤的强度随着压力和水分的增加呈先增大后减小的趋势;黏结剂种类对型煤强度的影响作用不同,煤焦油和煤沥青添加量的增加分别增强了冷强度和热强度;在成型水分13%、成型压力141 MPa、煤焦油重质组分质量分数9%和煤沥青质量分数为16%的优化工艺条件下,型煤的冷、热强度均较优,可以满足中低温热解直立炭化炉对原料的要求。     

泥炭基活性炭水蒸气活化过程孔结构演化的碳烧失特征

孔结构调控是活性炭制备研究的核心,碳烧失伴随并决定着孔结构的演化。为研究泥炭基活性炭孔结构演化过程中碳烧失特征,将贵州毕节泥炭样品破碎、粉磨,在氮气氛围进行热重分析,并采用无黏结剂压块成型,再破碎后、炭化,在不同活化温度、时间下水蒸气活化制得活性炭,测定活性炭样品的碘值、亚甲蓝值和焦糖脱色率吸附性能指标,利用气体吸附仪、拉曼光谱和扫描电子显微镜表征其孔结构、碳结构和微观形貌,研究吸附性能、孔结构、碳结构间的关系。结果表明:泥炭基活性炭的孔结构演化随活化温度的升高分为造孔(750～800℃)、扩孔(800～850℃)、孔塌陷(850～900℃)和炭表面烧蚀(900～950℃)4个阶段,分别以无序炭(D_3)及散乱石墨层结构(D_1)、散乱石墨层结构(D_1)及平行的石墨层间的不规则层(D_2)、活性位点碳(D_4)、规则的石墨微晶结构(G)的烧蚀为主;随活化时间的增加分为充分发育期(60～120 min)和过度发育期(120～150 min)2个阶段,分别以无序炭(D_3)和活性位点碳(D_4)的烧蚀为主。炭表面烧蚀或孔结构过度发育之前有效的调孔以全程清除无序炭、部分消耗缺陷微晶炭、少量激活活性位点碳来实现。随活化程度的加深,活性炭的碳烧失由颗粒内表面为主转为由内向外、再转为由外向内,表面孔依次呈现出生成、融并和坍塌的形貌特征。